（电气工程专业论文）直线同步电机运行状态计算和故障仿真分析.pdf

1 i i i ii iiii i i ii ii ii i i iiii y 1 7 6 0 6 3 7 r u n n 烈gs t a t ec o m p u t a t i o na n d f a u l 月si m u l a t i o no ft h el i n e a r s y n c h r o n o u sm o t o r at h e s i ss u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y y uf a n g s u p e r v i s e db y p r o f e s s o ry uh a i t a o s c h o o lo fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a p r i l2 0 1 0 东南大学学位论文使用授权声明 的研究成果。 发表或撰写过 的材料。与我 了谢意。 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：趔导师签名：主遭l 荭日期：丝! ! ：垫 摘要 摘要 磁悬浮技术是近年来的研究热点之一，随着高速磁悬浮列车在我国交通运输业中的投入使用，人们对 其运行安全性、可靠性提出了越来越高的要求。长定子直线同步电机作为磁悬浮列车的核心技术之一，其 定子绕组内部故障是一种常见的、破坏性很强的故障。它主要包括单相短路、相间短路和开路故障，如不 能及时发现及遏止故障的恶化，将会给磁悬浮列车的安全运行和乘客的人身安全带来一系列严重影响。因 此，开展长定子直线同步电机定子绕组内部故障计算和仿真分析具有十分重要的理论意义和工程实用价 值。 在对定子绕组内部故障进行深入分析和研究的基础上开展了研究工作，主要内容有： ( 1 ) 电感矩阵的准确计算是建立直线同步电机数学模型的关键。以绕组函数理论为基础，结合气隙磁导 法，推导出适用于本文一对极模型的电感通用计算公式，计算定子三相绕组自感、互感及漏感等参 数，形成相应的电感矩阵，通过求解电流微分方程得到正常运行时的电流波形，仿真得出电磁力随 功角、气隙高度等参量变化的特性曲线。 ( 2 ) 建立直线同步电机的故障数学模型。将定子绕组的故障相按照故障类型的不同分成2 个或者3 个绕 组，结合相应的参数来模拟故障情况。仿真得到不同故障类型、不同故障位置、不同短路匝数比下 的定子故障电流、励磁电流、电磁牵引力、悬浮力等参量的变化情况，深入分析定子绕组内部故障 对相互关联的各个电气量的影响。 ( 3 ) 选取直线同步电机正常及三种故障状态的电磁力进行三层小波包分解，得到对故障较敏感的特征向 量样本，作为神经网络的输入向量，通过参数设计优化神经网络，实现对直线同步电机运行状态的 实时判断。 ( 4 ) 根据软件实现的功能特点，选择m a t l a b 作为开发工具，遵循人机界面友好的原则实现长定子直线 同步电机的运行状态计算和故障仿真识别、显示的软件系统。 关键词：绕组函数，直线同步电机，内部故障，三层小波包，神经网络 a b s t r a c t a b s t r a c t t h em a g n e t i cs u s p e n s i o nt e c h n o l o g yh a sb e c o m eo n eo ft h eh o t s p o t si nr e c e n ty e a r s w i t ht h eu s eo f h i g h s p e e dm a g l e vt r a i ni no u rt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m t h eh i g h e rr e q u i r e m e n tf o rt h eo p e r a t i o ns e c u r i t ya n d r e l i a b i l i t yi sp u tf o r w a r dp r e s s i n g l y t h es t a t o ri n t e r n a lf a u l t so ft h el o n g - s t a t o rl i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o r ( l s m ) a r ev e r yu s u a lb u td e s t r u c t i v ef o rt h em a g l e vt r a i ns y s t e m t h em a i n l yi n t e r n a lf a u l t si n c l u d et h es i n g l e - p h a s e s h o r tc i r c u i lt h ep h a s e - p h a s es h o r tc i r c u i ta n dt h es i n g l ep h a s eo p e nc i r c u i t ，w h i c hw i l lc a u s es e r i o u s c o n s e q u e n c e st os a f e t yr u n n i n go ft h et r a i na n dt h ep a s s e n g e rt h e m s e l v e s t h e r e f o r e ，i th a sg r e a ti m p o r t a n c eb o t h i nt h e o r ya n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nt oc a r r yo u tt h ec a l c u l a t i o na n ds i m u l a t i o nf o ri n t e r n a lf a u l t so ft h el i n e a r s y n c h r o n o u sm o t o r t h er e s e a r c hw o r ko f t h i st h e s i si sc a r r i e do u ta n dl i s t e da sf o l l o w e d ，b a s e do nt h ed e e pa n a l y s i sa n ds t u d yo n t h es t a t o ri n t e r n a lf a u l t s ( 1 ) t h ea c c u r a t ec a l c u l a t i o no ft h ei n d u c t a n c em a t r i xi st h ek e yp o i n tt os e tu pt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h e l i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o r b a s e do nt h ew i n d i n gf u n c t i o nt h e o r ya n dt h ea i r - g a pc o n d u c t a n c em e t h o d , t h e u n i v e r s a li n d u c t a n c ef o r m u l a so ft h i sm o d e la r ed e r i v e dt oc a l c u l a t et h es e l f - i n d u c t a n c e s ，m u t u a li n d u c t a n c e s a n dl e a k a g ei n d u c t a n c e so fs t a t o ra n dr o t o ra n dt h e nt h ei n d u c t a n c em a t r i xi sf o r m e d t h ec u r r e n tw a v e f o r m s a n dt h ec h a r a c t e r i s t i cc u r v e sb e t w e e nt h ee l e c t r o m a g n e t i cf o r c e sa n dp o w e ra n g l e ，t h ea i r - g a ph e i g h tu n d e r n o r m a lc o n d i t i o na r eo b t a i n e db ys o l v i n gt h ec u r r e n td i f f e r e n t i a le q u a t i o n s ( 2 ) t h ef a u l t ym o d e l sf o r t h el i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o ra r eb u i l t t h ef a u l t ys t a t o rw i n d i n g sa r ed i v i d e di n t ot w o o rt h r e ep a r t sa c c o r d i n gt ot h ef a u l tt y p e st os i m u l a t et h er e a lf a u l tc o n d i t i o n s t h es i m u l a t i o nr e s u l t so f c u r r e n t sa n de l e c t r o m a g n e t i cf o r c e su n d e rd i f f e r e n ti n t e m a lf a u l tt y p e s ，s h o r tc i r c u i tr a t i o sa n ds h o r tc i r c u i t p o s i t i o n sa r eo b t a i n e da n dc o m p a r e df o rt h ed e e pa n a l y s i s o ft h ee f f e c tb e t w e e nt h er e l a t e de l e c t r i c a l p a r a m e t e r sa n dt h es t a t o ri n t e m a lf a u l t s ( 3 ) l a r g es a m p l e so ft h em o t o rf a u l t ye i g e n v e c t o r s ，w h i c ha r es e n s i t i v ef o rd i f f e r e n tf a u l tt y p e s ，a r ef i r s to b t a i n e d b yd e a l i n gt h el s me l e c t r o m a g n e t i cf o r c e sw i t ht h r e e l a y e rw a v e l e tp a c k a g em e t h o d ，t h e ni n p u ti n t ot h e n e u r a ln e t w o r ka st h ei n p u tv e c t o r t h er e a l - t i m ef a u l td i a g n o s i sf o rt h el s mr u n n i n gs t a t ei st h e r e f o r e r e a l i z e db yo p t i m i z i n gt h en e u r a ln e t w o r ks t r u c t u r e ( 4 ) a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ，ar e a l - t i m es i m u l a t i o ns o f t w a r ep a c k a g e ，w h i c hi s u s e df o rl s mf a u l td i a g n o s i sa n ds t a t ec o m p u t a t i o n ，i sd e v e l o p e du s i n gm a t l a bg u i ，i n c l u d i n gt h em o t o r d a t ai n p u t , o u t p u ti n t e r f a c e ，c o m p u t a t i o ni n t e r f a c ea n dt h ec o r r e s p o n d i n gr e s u l td i s p l a yi n t e r f a c ea sw e l l k e yw o r d s ：w i n d i n gf u n c t i o n ，l s m ，i n t e r n a lf a u l t s ，t h r e e l a y e rw a v e l e tp a c k a g e ，n e u r a ln e t w o r k i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 研究背景。1 1 2 研究内容及方法综述3 1 2 1 定子绕组内部故障分析方法一3 1 2 2 故障诊断识别技术4 1 3 各章节内容综述5 第二章基于绕组函数理论建立直线同步电机数学模型一6 2 1 直线同步电机的工作原理6 2 2 绕组函数理论7 2 3 直线同步电机的数学建模9 2 3 1 电感参数的计算1 2 2 3 2 正常情况的电流及电磁力仿真结果2 0 2 3 3 仿真结果与实验对比2 3 2 4 小结2 7 第三章定子绕组内部故障仿真分析2 8 3 1 前言2 8 3 2 定子绕组单相短路仿真模型建立2 9 3 3 定子绕组相间短路仿真模型建立3l 3 4 定子绕组单相开路仿真模型建立3 3 3 5 各种运行故障的仿真结果3 3 3 5 1 定子绕组发生a 相短路3 3 3 5 2 定子绕组发生b 、c 相间短路3 5 3 5 3 定子绕组发生c 相开路3 7 3 5 j 、结3 8 第四章基于小波包和神经网络的故障诊断3 9 4 1 前言3 9 4 2 小波包理论3 9 4 2 1 小波及小波包介绍3 9 4 2 2 小波包分解实例计算4 l 4 3 神经网络理论。4 3 4 3 1 神经网络介绍4 3 4 3 2 神经网络实例训练4 5 i i l 参考文献5 7 攻读硕士学位期间发表论文情况6 0 i v 第一章绪论 第一章绪论 本章主要介绍本文的研究背景和意义，分析e m s 型高速磁浮列车的驱动牵引电机一长定子直线同步 电机的应用现状和设备故障诊断技术的概况，总体介绍本文的研究步骤及主要采用的研究方法，最后综述 了各章主要的研究内容。 1 1 研究背景 众所周知，直线电机能够将电能直接转换成直线运动的机械能，而不需要转换机构。它是2 0 世纪中 后期电工领域中出现的具有新原理、新理论的技术，可以广泛地应用于工业、民用和军事及其各种直线运 动的场合，特别是直线电机在交通运输业中的应用，打开了人类历史进程崭新的一页 1 l 。 世界交通运输行业正面临着越来越巨大的挑战，尤其是应社会进步和经济快速发展的要求，当代常规 的交通工具存在的一些弊端逐渐显露，如飞机航班经常延误、受天气影响因素大、高速公路的拥堵与事故 率逐渐增高、汽车时代造成的大量废气污染和噪声污染、世界能源资源逐渐枯竭等，使得我们不得不寻求 新的解决方案。此外，现有地面交通工具的运行速度受到理论限制，如普通火车是靠旋转的车轮和轨道的 摩擦力行驶的，运行速度越快，摩擦力则相应的减少，时速在力学理论上就很难超过4 0 0 o n h ，即认为 速度达到这个标准以上时，普通车轮已失去摩擦力，不能产生推动力。目前只有采用直线电机驱动的磁悬 浮列车才能实现车辆本身与路面的无机械接触行驶，因此直线电机在实现新的理想的交通工具方面，发挥 了关键的作用，它所具有的速度快、舒适、安全、无污染、低噪声、节能环保等优点引起了人们越来越多 的关注与研究。 磁悬浮列车技术的引进改变了传统轨道车辆靠轮轨摩擦力推进的方式，它应用电磁力悬浮车体，运用 直线电机驱动技术，使列车在轨道上无接触悬浮运行，这在交通技术发展史上是一项重大飞跃，从而实现 了人类长期以来“火车不用轮子”的美好理想。磁悬浮列车与现有的普通列车相比，其主要的优点主要表 现为【1 】： ( 1 ) 行驶速度高，最高可达5 0 0 o n h 以上； ( 2 ) 安全性能高，运行稳定： ( 3 ) 无环境污染，乘坐舒适，噪声污染和振动较小： ( 4 ) 占地面积小，可高架且对轨道承重要求低，占地较少； ( 5 ) 对复杂地形的适应性较强，爬坡能力强，转弯半径较小； ( 6 ) 造价适中，易维修，节能环保。 磁悬浮列车按其悬浮的机理可分为以下两大类i lj ： 一、常导吸浮型e m s ( e l e c t r o m a g n e t i cs u s p e n s i o n ) 这种磁悬浮列车采用一般的导体线圈，应用异性磁极相吸引的原理，一般由同步或异步直线电动机驱 动，被称为常导吸浮型磁悬浮列车( 如图1 1 所示) ，该类型磁悬浮列车以德国研制的t r a n s r a p i d ( t r ) 系 列磁悬浮列车为代表，时速可根据需要设计为1 0 0 o n h 到5 0 0 o n h ，而磁悬浮气隙高度较小，一般在 1 0 m m 左右。全球第一条基于e m s 型的高速磁悬浮列车商业运行线已成功建成并运营，即为上海磁悬浮列 车示范运营线，始于地铁龙阳站，终点为浦东国际机场，全程为3 0 公里，时速可达4 3 0 i o n h 。 东南大学硕士学位论文 电磁体 图1 - le m s 原理图 二、超导斥浮型e d s ( e l e c t r o d y n a m i cs u s p e n s i o n ) 这种磁悬浮列车采用低温超导线圈，应用同性磁极相排斥的原理，一般由直线同步电动机驱动，被称 为超导斥浮型磁悬浮列车( 如图1 2 所示) ，其中以日本的m l u 型磁悬浮列车最具代表性，列车时速一般 以高速较多，即5 0 0 o n h 以上。m l u 型的磁悬浮气隙高度较大，在高速时悬浮气隙甚至可达到1 0 1 5 c m ， 大气隙悬浮列车对轨道梁的加工精度要求相对较低，运行控制也相对容易，因此适用于高速行车，但其存 在着最大的缺点即需要低温超导技术，实施起来技术难度较大。 f y 悬浮力 迪! 叠垒占 超导磁体 轨道 图1 2 e d s 原理图 磁悬浮列车所具有的一系列优势引起了世界上很多发达国家的重视，已投入这一研究和试验的国家有 德国、日本、美国、俄罗斯等，尤其以德国和日本为代表，而我国对于这方面的研究则起步较晚，但近年 来已取得了一定的进展。磁悬浮列车按照运行速度和用途还可以分为三类，如表1 1 所示【l 】o 表1 - 1 磁悬浮列车的分类 本文以上海高速e m s 型磁悬浮列车运营线为工程背景，采用新颖的解析方法对其牵引直线同步电机的 一对极模型进行数学建模，深入分析研究列车正常运行状态及定子绕组发生内部故障时的运行性能，并对故 障情况进行实时诊断和快速识别，为列车的安全牵引运行及继电保护提供技术保障。 2 第一章绪论 1 2 研究内容及方法综述 本文主要研究直线同步电机的运行状态，对各种运行状态进行计算、仿真，首先阐述了直线同步电机 定子绕组内部故障的方式和研究方法，然后以绕组函数理论为基础推导出直线同步电机的新颖数学模型及 各种故障模型，应用此模型计算直线同步电机在正常运行状态和各种故障情况下电气参数( 包括电感、电 流、电磁力) 的动态响应，然后结合小波包能量分解和神经网络的相关内容对采样数据进行分类处理，编 写直线同步电机内部故障的诊断、识别程序，采用m a t l a b g u i 界面设计直观、便捷地实现故障判断及 人机交互工作。 与普通的旋转同步电机类似，文中将直线同步电机定子绕组内部故障大致分为三类：相间短路、单相 短路、单相开路等。电动机定子绕组的故障主要由在长期恶劣的运行环境下，绕组的绝缘磨损、破损、不 正常的电压、电流频率引起的。在起动或冲击负载引起的电动力作用下，绕组线圈发生相对移动，使得绝 缘变薄，则容易形成内部短路故障。当发生定子绕组内部短路故障时，过大的短路电流可能造成定子槽和 端部固定件受到很大的机械力，从而使绕组变形【2 j 。因此准确及时地对电机故障进行判断识别对电机的安 全牵引运行至关重要，这也是本课题研究的初衷。 1 2 1 定子绕组内部故障分析方法 直线同步电机定子绕组内部发生故障时，由于铁芯是开断的，存在横向和纵向边端效应，使得电机内 部电气参数不对称，这是交流电机绕组不对称故障时的突出特点。目前国内外对同步电机绕组内部故障的 研究，大致有以下几种l z j ： ( 1 ) 理论分析法 理论分析法依赖较多的数学知识和实际运行条件对所研究的对象进行理论计算，得到形式简洁，能够 充分反映分析对象的内在规律的解析公式。这种方法适用于结构简单、电磁关系不是太复杂的电机情况分 析，但是难以得到准确的解析公式，可能会影响故障诊断的准确性。 ( 2 ) 试验研究法 试验研究法是进行电机故障分析的常用方法之一，它对样机进行必要的故障设置，通过对现场故障动 态模拟得到的实验数据的分析来验证故障规律。这种方法基于实验模拟能够发现一些不能从理论上找到的 故障规律，同时又可以对理论分析和数学模型进行验证、补充，但也存在着一些问题，例如试验代价较高、 试验条件比较苛刻、难以准确模拟全部的故障情况等。 ( 3 ) 数字计算方法 数字仿真计算方法有很多种，如坐标变换法、电路磁场耦合法和多回路法等几种。其中以电路一磁场 耦合法为例，这种方法将电机内电磁场和外部电气系统联系起来，建立耦合方程，可以较好的考虑到电机 的几何尺寸、分布参数等因素。它将复杂的电机问题简化，参数的计算主要是回路的电感参数，这些参数 多半与电机的转子位置有关。文献【3 】以实验波形验证了场路耦合模型对于定子绕组内部故障暂态仿真的准 确性，但是这种方法的缺点是对处理复杂的电机内部绕组故障不是很方便。 绕组函数法作为电路一磁场模型分析方法的一种，它以长定子直线同步电机的几何结构建立等效电路 模型，然后应用绕组函数方法求出电感参数。绕组函数法利用绕组的空间分布特点进行积分计算，使计算 得到简化的同时仍保持较高的精度，但是需要依赖较多的电机参数。 电磁场数值计算方法主要包括有限差分法、有限元法、积分方程法和边界元法等四种，而有限元数值 计算方法则是近年来应用较广的一种电磁场分析方法，它能够充分考虑到电机各方面的影响因素，包括铁 芯的开断、铁磁材料的非线性、磁路饱和和横向、纵向变端效应等，因此建立了正确的电机模型后，此种 方法得到的计算结果较为准确，文献【4 】中采用有限元方法对直线同步电机模型进行分析，取得了一定的成 3 东南大学硕士学位论文 果，而本文中也利用成熟的a n s y s 软件进行建模，用来验证解析计算结果的准确性。 1 2 2 故障诊断识别技术【5 1 设备的故障诊断技术( m a c h i n ec o n d i t i o nd i a g n o s i st e c h n i q u e ) 是- - i - 出现于7 0 年代的新技术，它能 在保证设备正常带负载运行的前提下，运用先进的技术手段，对电机等设备的实时状态参数进行监测和分 析，从而判断设备是否存在异常或者故障，故障的位置和起因以及故障的变化趋势，以确定合理的检修方 案。故障诊断和继电保护两者有机的结合则是未来机电设备保护的发展趋势，两者相辅相成，前者可以发 现早期的故障，使传统的保护功能得以延伸。 但是有一个问题需要引起重视，检测技术测得的各种参数中有些参数并不是直接跟故障相关的一次参 数，而是间接反映故障的二次参数，因此，要提高故障识别的准确性和可靠性的前提就是积累大量的经验 数据，形成一个数据库或专家系统，同时还必须全面掌握被诊断对象的各种性能、结构等参数。因此对电 机的故障诊断识别需遵循以下的几个步骤1 5 l ： 一、选择合适的采样信号 当机电设备出现异常或故障时，其状态信号( 包括各种电磁的、机械的、声学的、光学的、热学的、 化学的信号) 会呈现出一定的变化规律。传感器采集选定的适当的状态信号，经过转换器进行汇总，然后 依次经过采样保持器和模数转换器，最后将其传输至信号处理单元进行处理。 基于状态信号选择的不同就可以将电机诊断技术分为以下几类： ( 1 ) 电流分析法( c u r r e n t a n a l y s i s ) 即通过对电机输出的电流幅值、波形的检测和频谱分析，诊断电机故障的起因和严重程度。例如通过 对交流旋转电机的电流进行频谱分析来诊断电机是否存在转子绕组断条、气隙偏心、定子绕组故障、转子 不平衡等缺陷，这主要适用于某些故障造成明显的电气特征量变化方面【6 】。 ( 2 ) 振动诊断( v i b r a t i o nd i a g n o s i s ) 通过对电动机的振动检测和信号的一系列分析实现诊断故障的原因和故障部位，尤其对电机的机械损 坏检验特别有效。 ( 3 ) 绝缘诊断( i n s u l a t i o nd i a g n o s i s ) 利用各种电气试验和特殊诊断技术对电机的绝缘结构、工作性能是否存在缺陷等做出判断，并预测绝 缘的剩余寿命。 ( 4 ) 温度诊断( t e m p e r a t u r ed i a g n o s i s ) 应用温度检测方法和红外检测技术，对电机各部位温度进行监测，通常不正常的温升多半伴随着不同 程度的故障类型，从而能够实现故障诊断。 ( 5 ) 振声诊断技术( v i b r o a c o u s t i c a ld i a g n o s i s ) 简称为v a 诊断，对诊断的对象同时采集振动信号和噪声信号进行处理，然后综合诊断，从而达到较 高准确度的诊断，同样对电机的机械部分故障诊断特别有效。 二、状态特征向量提取 在这一步骤中主要采用一些数学方法对信号进行分析处理，从选择的状态信号中提取与设备状态相关 的较敏感的特征向量信息，例如应用小波分析、频谱分析等。本文中采用的是由电磁力信号经过小波包分 解得到的各频段能量向量作为故障识别的特征向量。 三、故障诊断 根据数据处理单元得到的状态特征向量，应用计算机软件进行分析、推理、对比，对电机是否有故障、 故障的起因、故障的性质、严重程度、故障的部位等做出诊断，为预报、控制、预估电机剩余寿命、调整、 维修、处理及事故分析提供依据，最后对电机能否继续运行做出决策。图1 3 所示即为上述的电机设备故 4 第一章绪论 障诊断的基本环节。 1 3 各章节内容综述 图1 - 3 故障诊断的基本环节 本论文共分为六个章节，各章节的内容简要如下： 第一章主要介绍本文的研究背景和意义，简述e m s 型高速磁浮列车的牵引电机长定子直线同步电 机的应用现状和故障诊断技术的概况，提出了本文的研究步骤及主要采用的方法，指出了论文总体的目标， 最后综述了各章的研究内容。 第二章阐述了上海磁悬浮列车用长定子直线同步电机的结构和工作原理，将绕组函数方法应用到直线 电机中，在此基础上建立直线同步电机正常运行状态下的数学模型，计算得到相关的电气参数，同时推导 出直线同步电机的阻抗矩阵、电磁牵引力与悬浮力公式，仿真得到电磁力随直线电机功角、定子电流、励 磁电流、气隙高度的变化特性曲线，通过与a n s y s 结果的对比，对其正常状态下的运行性能进行初步分 析。 第三章简要介绍了研究直线同步电机定子绕组故障的意义，分别对直线同步电机定子绕组内部潜在的 故障即单相短路、相间短路和单相开路故障进行数学建模、仿真计算，得到其动态响应，比较故障电流、 电磁力随故障类型、故障短路匝数比的变化情况，对故障运行状态进行深入分析。 第四章简要介绍了小波理论与小波包分解方法，将小波包分解方法应用到电机的故障特征向量提取 中，通过选择合适的小波，对直线同步电机各种运行状态下采样的大量电磁力数据进行三层小波包分解， 提取得到故障的特征向量。运用人工神经网络的相关知识对故障的特征向量进行分类识别，设计b p 神经 网络的结构参数，训练数据，得到优化的神经网络，用于实现故障的诊断与识别。 第五章选择合适的开发语言编写具有良好人机界面的直线同步电机运行状态计算和故障分析软件，该 软件可以完成直线同步电机模型基本参数的计算、故障模型参数的计算、神经网络的调用和仿真波形的绘 制等功能。 最后对本文的主要研究成果进行了总结和展望。 5 东南大学硕士学位论文 第二章基于绕组函数理论建立直线同步电机数学模型 2 1 直线同步电机的工作原理 直线电机作为一种新型的电力传动设备，主要实现将电能直接转化成直线运动机械能的功能，这种电 机通入直流电或交流电之后，通过电与磁的相互作用就能产生直线运动的推进力。在结构上，直线同步电 机可以认为是旋转电机的一种演变，相当于旋转电机在顶上沿径向剖开并将其圆周拉直，其工作原理也同 旋转电机相似。它不需要任何中间环节，可以直接驱动被控制对象产生直线轨迹运动，打破了传统中间转 换的传动形式。其中由定子演变而来的一侧称为初级，由转子演变而来的一侧称为次级或者动子。按照旋 转电机直接演变而来的直线电机，其初级和次级的长度是相等的，由于电机在运行时初级与次级之间有相 对运动，如果在运动开始时，初级与次级正好对齐，那么在运动时，初级与次级之间互相耦合的部分会越 来越少，则电机不能正常运行。为了保证在所需要的运动范围内，初级与次级之间的耦合能保持不变，在 实际应用时，总是将初级与次级制造成不同的长度，既可以是初级短，次级长，也可以是初级长，次级短。 前者称为短初级长次级，后者称为长初级短次级。上海磁悬浮列车用的直线同步电机采用的长初级( 即运 行轨道) 短次级( 即车体动子) 型1 1 。如图2 - l 所示的为常规直流励磁式的凸极直线同步电机，用于地面 运输车。 图2 - l 用于地面运输车的凸极直线同步电机 在不考虑由于铁芯开断造成的纵向边端效应时，当直线电机初级三相绕组通入三相对称交流电时，会 产生沿直线方向呈正弦分布的气隙磁场，这个磁场被称为行波磁场，与普通旋转电机产生的气隙磁场相似， 但当三相电流随时间变化时，气隙磁场将按彳、b 、c 相序沿直线运动，而不是旋转运动，其移动速度 与旋转磁场的定子内圆表面的线速度相同，即为同步速度圪，且1 7 j k = 2 r f ( 2 1 ) 。输入频率： f 极距。 上面介绍的是有励磁磁极的直线同步电机，还有一种类型是无励磁的直线同步电机，这类型的直线同 步电动机有许多结构型式。图2 2 为直线同步电动机的一种分类方法【l 】，从图中可以看出直线同步电动机 主要可以分为两大类，一类是有铁芯的，另一类是超导、空心型的，再向下细分又可以分为有励磁、无励 磁、单边、双边等类型。 6 第二章基于绕组函数理论建立直线同步电机数学模型 2 2 绕组函数理论【8 1 5 】 图2 - 2 直线同步电机的分类 绕组函数法最先用于单相感应电机的计算机模拟和分析集中绕组的感应电机、双励磁磁阻电机和同步 磁阻电机们。近年来，这种方法越来越广泛地应用于感应电机在不同故障下的瞬时动态分析，例如在气 隙动态偏心的故障分析中【l l - 1 3 l ，采用绕组函数法计算的准确性很高。本文将绕组函数理论应用到长定子直 线同步电机中，对直线同步电机进行数学建模，同样取得了一定的成果。 在普通旋转同步电机中，对任意绕组x ，根据安培环路定律有： j 致( ，a ) 铆2 上以( ，口) d d ( 2 2 ) i 以( ，a ) d = 行( 砂，p ) f ( 2 3 ) 又根据磁通连续性定理： l b d s = 0 ，可以推导出任意两个绕组x 、j ，间的互感计算公式为【1 2 d 5 】： 岛= 2 r q 4 1 l 1童疗 _ 亡【f ( c p ) d c p ( 2 4 ) 仃句 其中，o 是真空磁导率；厂是电机的平均半径；，是电机的轴向长度；g - 1 ( 妒) 是气隙长度的倒函数；刀，( 妒，p ) 和疗。( 9 ，0 ) 则为绕组x 、y 的绕组函数，即单位电流下通过x 、y 的磁势波形。对于旋转绕组来说，绕组 函数刀( 妒，8 ) 是妒，0 的函数，而对于静止绕组来说它只是妒的函数。将式( 2 4 ) 应用到直线同步电机时需 要做出相应的改动。 以普通旋转电机为基础，公式( 2 4 ) 绕组函数推导可以按照参照文献【1 4 】进行，假设电流f 在气隙中 产生的磁势定义为： 只( 9 ，p ) = m 一( 9 ，9 ) i a ( 2 5 ) m 爿( 妒，0 ) = 爿( 妒，p ) 一 ( 2 6 ) 7 东南大学硕士学位论文 _ 荔= 丽而p 一 月) g - l ( 仍日) 却 磁路的磁通为磁动势f 和磁导p 的乘积： = f xp p ：丝 其中为磁导率，彳为磁路的截面积，为磁路的长度，则 却= 珊舭志 然后对西进行积分运算，得到 妒= j l l o r l 【( 妒，日) e ( 缈，o ) g - 1 ( 9 ，o ) d e 席，r 将b 相所有线圈相加 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) = p o r l | ( 妒，p ) k ( 妒，o ) g 一( 妒，日) 却 0l k = lj 2 摹 = o r li 门占( 妒，p ) e ( 妒，o ) g - 1 ( 9 ，9 ) 却 5 2 1 t 则 三剧= 三丝= p o r lk b ( 9 ，o ) m a ( 妒，臼) g 一1 ( 9 ，日) 却 ( 2 1 2 ) o j 薹 ； 将m j 的表达式【1 4 1 ( 2 7 ) 代入( 2 1 2 ) ，整理则可得公式( 2 4 ) 。 在式( 2 4 ) 中需要用到两个绕组函数的积分，在数学上分布绕组的积分可以用傅立叶级数或增量求和 的方法进行计算，增量求和方法可以将绕组做整体处理，例如在参考文献 1 5 1 5 b 给出了两个绕组函数刀。、 刀y 的原始波形，如图2 - 3 ( a ) ( b ) 所示，( c ) 显示的是门，n ，乘积的波形，对刀，疗，在【o ，2 7 r 】上进行积分 计算，采用增量求和方法，计算结果如下【1 5 1 ： ，9 29 39 4矿6 = 寺( ，v ，d c p + y 却+ ，n x n y d t p + n 勺d t p ) 厶7 妒19 2妒3甲5 ( 2 1 3 ) = 一【2 ( 妒2 9 1 ) + 6 ( t p 3 9 2 ) + 3 ( 妒4 9 3 ) 一2 ( 妒6 9 5 ) 】 除了增量求和法，还可以利用绕组函数的傅里叶分解公式直接用于计算，本文使用这两种方法均进行 计算，结果相同。 从绕组函数法推导过程可以看出，绕组函数法可以应用在各种气隙分布的电机中。气隙均匀分布，可 以产生均匀的空间谐波，而对于气隙不均匀的电机，产生的空间谐波很难计算。绕组函数法是可以从整体 出发，直接利用绕组在空间的分布，写出绕组函数，结合气隙倒函数，从而求出通用的电感参数。 所以，在求解直线同步电机电感参数时应用绕组函数法减少了计算的工作量和难度，是研究分析中一 种非常可行的方法。本文就是以绕组函数理论为基础，进行数学建模计算直线同步电机一对极下的电感矩 阵。 8 第二章基于绕组函数理论建立直线同步电机数学模型 i l 缈 一 i ( a ) 2 7 r 一 。一 9 l _ ( b ) i - 一 一 2 n i 二 r _ 一9 一 ，r 一 2 3 直线同步电机的数学建模 图2 3 绕组函数原理 常导型高速磁悬浮列车( e m s m a g l e v ) 通常是由一长定子三相直线同步电机( l s m ) 驱动的，正 常运行时轨道下方的定子初级线圈通以三相对称交流电，悬浮电磁铁上的次级线圈采用直流励磁l l 引。定子 上的绕组在三相交流电的激励下产生一个运动的磁场，与励磁磁场相互作用产生稳定的牵引力和悬浮力。 定子轨道上的三相绕组线圈匝数为l ，采用集中绕组，通以三相对称交流电；悬浮电磁铁上的励磁绕组线 圈匝数为2 7 0 ，通以直流电励磁。由于在实际情况中，定子( 即轨道) 的长度远大于动子( 即车体) 的长 度( 大约为1 0 ：1 ) ，并且定子和动子沿垂直于车辆运动方向的每一横截面的形状均相同，因此对于每极每 相槽数为整数的直线同步电动机来说，由于其结构具有对称性，转子模拟一对磁极就可以了。以图示的一 对极下六槽的长定子直线同步电机为例，上面部分放有电枢绕组的为初级，下面部分为次级，中间的为气 隙【1 7 l 。 图2 4 直线同步电机的纵向剖面图 。 图示的一对极直线同步电机结构是以上海的磁悬浮列车运营线为基础，参照德国的t r 0 8 系列设计的， 其列车车体两侧各有一个直线同步电机共同产生牵引力力和悬浮力，上海线列车按5 节编组，包括两个端 车和3 个中车。其端车共有1 4 个整体主磁极，中车共有1 4 个整体主磁极与4 个半体主磁极，整个列车共 有7 8 个整体磁极模块，每个整磁极包括1 0 个主磁极与2 个末磁极【7 】。本文在建模过程中为了简化处理并 没有考虑到主磁极和末磁极的区别p 】。 9 东南大学硕士学位论文 直线同步电机的长定子部分采用分段式供电，假设每段供电区域的定子轨道长度大约为动子励磁磁极 1 0 倍，由此造成定子绕组上面一部分有励磁磁极，而另一部分则没有励磁磁极。以t r 0 8 系列为例，一 取列车每段定子轨道长度为1 2 0 0 m ，而整个列车长度大概为1 2 8 5 坍，即为动子长度，则实现能量传递 部分只占定子轨道长度的1 0 左右。因此，由定子电枢绕组产生的磁场可以分为两类：一类是参与能量 换的，它与励磁磁极共同作用，形成主磁场；另一类则不参与能量转换，通过外部空气形成闭合回路， 与定子绕组相交链，称为主漏磁场【2 2 彩j 。主磁场下的自电感、互电感计算采用上面介绍的绕组函数法进 计算，而漏磁场下的各参数则需要另外计算。 长定子直线同步电机的结构及尺寸如下： 1 ) 长定子部分 定子极距r = 2 5 8m m ； 同